Miniaturisation bioinspirée d'un convertisseur aéromécanique pour l'exploitation des faibles vitesses de vent

Bioinspired miniaturization of an aeromechanical converter for low wind speed exploitation

• Auteur / Autrice : Aurélien Carre
• Direction : Laurent Tabourot, Emile Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 19/07/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique (Annecy)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Ern
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Badel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Basset, Florent Ravelet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Conception et construction

Éoliennes

Énergie éolienne

Mots clés libres

Biomimétisme

Miniaturisation

Récupération d'énergie

Faibles vents

Biomimetics

Miniaturization

Energy harvesting

Low wind speeds

Résumé

L'Internet des objets est en pleine croissance, et nécessite le développement de capteurs autonomes communicants. L'autonomie de tels capteurs peut passer par la récupération d'énergie ambiante afin de limiter l'utilisation de batteries. L'objectif de la thèse est d'étendre les possibilités de conversion en développant une micro éolienne aussi petite que possible pour récupérer l'énergie cinétique des vents à faibles vitesses. Une rupture au niveau de la géométrie est nécessaire et se fonde dans ces travaux sur le biomimétisme.Dans cet objectif, une étude du comportement des samares par stéréocorrélation d'images est menée afin de reconstruire leur mouvement en trois dimensions. Dans un premier cas, les samares chutent verticalement ; dans une deuxième configuration elles sont percées à l'emplacement de leur centre de rotation et sont placées sur un axe horizontal dans une soufflerie. Les samares tournent alors jusqu'à 89% plus rapidement qu'en chute libre avec presque 2000 trs/min : elles sont donc un bon modèle pour des pales de micro éolienne efficace.Puis, plusieurs hélices bioinspirées sont conçues et fabriquées par stéréolithographie. Les hélices sont ensuite assemblées avec une génératrice électromagnétique miniature réalisée au CEA de Grenoble. La meilleure d'entre elles est identifiée après une batterie de tests. Par la suite, l'efficacité de la micro éolienne optimale est vérifiée en mesurant les puissances développées pour une large gamme de vents (jusqu'à 8 m/s). La puissance maximale s'étale de 50 µW pour 1,2 m/s à plus de 80 mW à 8 m/s ; le coefficient de puissance et le rendement total optimaux apparaissent à 4 m/s et sont respectivement de 29% et 17,5%. Cela nous place au-dessus des meilleurs prototypes de la littérature. Par conséquent, la validité du choix initial du biomimétisme et de son apport pour les petites dimensions est confirmée

The Internet of Things is growing rapidly, and requires the development of autonomous communicating sensors. The autonomy of such sensors can be achieved by harvesting ambient energy in order to limit the use of batteries. The objective of the thesis is to extend the conversion possibilities by developing a micro wind turbine as small as possible to recover the kinetic energy of low wind speeds. A break in geometry is necessary and is based in this work on biomimetics.To this end, a study of samaras behaviour by stereo image correlation is being carried out to reconstruct their movement in three dimensions. In a first case, the samaras fall vertically; in a second configuration they are drilled at the location of their center of rotation and placed on a horizontal axis inside a wind tunnel. The samaras rotate up to 89% faster than in free fall with almost 2000 rev/min: thus they are a good model for efficient micro wind turbine blades.Then, several bioinspired propellers are designed and manufactured by stereolithography. The propellers are then assembled with a miniature electromagnetic generator made at the CEA Grenoble. The best of them is identified after a battery of tests. Thereafter, the efficiency of the optimal micro wind turbine is verified by measuring the powers developed for a wide range of winds (up to 8 m/s). The maximum power ranges from 50 µW for 1.2 m/s to more than 80 mW at 8 m/s; the optimal power coefficient and total efficiency appear at 4 m/s and are respectively 29% and 17.5%. This places us above the best prototypes in literature. Therefore, the validity of the initial choice of biomimicry and its contribution to small dimensions is confirmed